Вильнина А.В., Ефремов Е.В. Современные методы и средства измерения уровня в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

Пример 5 (рис. 43). Уровнемер серии 5600

используется для измерений уровня твердых ма-

териалов, таких как цемент, которые обладают

чрезвычайно малым коэффициентом отражения

радарных импульсов. Подобное применение тре-

бует самой чувствительной антенны (параболиче-

ской антенны диаметром 18").

Рис. 43

7 Рефлексные (волноводные) уровнемеры

Рефлексные уровнемеры предназначены для измерения уровня,

дистанции и объема жидкостей, паст и сыпучих продуктов, а также раз-

дела фаз жидких продуктов (рис. 44, 45).

Рефлексные (волноводные) уровнемеры по принципу работы по-

добны радарным уровнемерам, но электромагнитный импульс распро-

страняется не в газовой среде, а по специальному зонду – волноводу. В

качестве зондов могут выступать

: стержень, трос, группа тросов, коак-

сиальный кабель. Направленное микроволновое измерение уровня при-

меняется в тех случаях, когда применение других приборов затрудни-

тельно, например ультразвуковые приборы могут отказывать из-за вы-

сокого содержания пыли или при недостаточной энергии, отраженной

сухими сыпучими продуктами или густой пеной [21].

Волноводная технология имеет ряд преимуществ по

сравнению с

другими методами измерений уровня, поскольку радарные импульсы

практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара,

температуре и давлению. Это позволяет использовать рефлексные уров-

немеры в более жестких условиях: высокие температуры, высокое дав-

Рис. 44. Волноводный датчики

уровня KSR-GT фирмы KSR Kuebler

Niveau-Messtechnik AG (Германия)

Рис. 45. Волноводный уровнемер

для жидкостей МТ5000 фирмы

К-ТЕК (США)

ление, сильное бурление жидкости, резервуары с работающей мешал-

кой, пары и газы над поверхностью жидкости. Поскольку радарные им-

пульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в про-

странстве резервуара, то волноводная технология может с успехом при-

меняться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с уз-

кими патрубками

[22].

7.1 Принцип действия

Данный датчик уровня использует электромагнитные импульсы, ко-

торые проходят по волноводу и отражаются от границы резкого измене-

ния диэлектрической постоянной, что означает границу между воздухом

и продуктом (рис. 46). Излучаемые импульсы имеют очень низкую мощ-

ность и сконцентрированы вдоль зонда, следовательно, излучаемая энер-

гия почти не

теряется. Это означает, что сила отраженного сигнала (ам-

плитуда) будет почти одинаковой независимо от длины зонда.

Рис. 46. Резервуар с рефлексным уровнемером,

производитель Nivelco, Венгрия

Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощно-

сти направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую

среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициен-

том диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отража-

ется в обратном направлении (рис. 47). Разница во времени между мо-

ментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо/сигнала

пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уро-

вень жидкости или уровень границы раздела двух сред [13].

Рис. 47. Вид распространения радарного импульса в измерительной среде

Интенсивность отраженного эхо/сигнала зависит от диэлектриче-

ской проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической

проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала.

Для измерения уровня границы раздела двух сред уровнемер ис-

пользует остаточную энергию импульса от первого отражения. Часть

энергии импульса не отражается от поверхности верхней среды, а про-

должает движение в среде

, пока не отразится от поверхности нижней

среды, при этом скорость распространения волны полностью зависит от

диэлектрической проницаемости верхней среды.

7.1.1 Описание волноводного уровнемера Rosemount

Rosemount серии 5300 фирмы Emerson Process Management

(США) – это двухпроводный волноводный уровнемер для измерения

уровня и уровня границы раздела жидкостей, а также уровня суспензий

и твердых сыпучих сред (рис. 48). Rosemount серии 5300 обеспечивает

высокую надежность, современные меры обеспечения безопасности,

простоту использования и неограниченные возможности подключения и

интеграции в системы АСУ.

Рис. 48. Волноводный уровнемер Rosemount

фирмы Emerson Process Management (США)

Характеристики волноводного уровнемера Rosemount серии 5300

[6]:

• Измеряемые среды: жидкие (нефть, темные и светлые нефтепро-

дукты, вода, водные растворы, сжиженный газ, кислоты и др.); сыпучие

(пластик, зольная пыль, цемент, песок, сахар, злаки и т.д.).

• Диапазон измерений уровня: от 0,1 до 50 м.

• Выходной сигнал: 4–20 мА с цифровым сигналом на базе

HART–

протокола или Foun-dation™ Fieldbus.

• Наличие взрывозащищенного исполнения.

• Межповерочный интервал – 2 года.

• Внесен в Госреестр средств измерений под № 38679, сертификат

№ 32768.

Уровнемеры Rosemount серии 5300 с успехом применяются в сле-

дующих отраслях промышленности: химическая и нефтехимическая;

нефтегазовая; целлюлозно/бумажная; фармацевтическая; пищевая про-

мышленность и производство напитков; контроль питьевой воды и

сточных вод; энергетика (плотины и гидроэлектростанции).

Уровнемеры Rosemount серии 5300 имеют следующие достоинства:

¾ точность измерений не зависит от диэлектрической проницаемо-

сти, плотности, температуры, давления и рН;

¾ широкий диапазон измерений и качественные измерения сред с

низким коэффициентом отражения (диэлектрическая постоянная

от 1,4);

¾ различные

типы зондов позволяют применять уровнемер в резер-

вуарах разной геометрии и с внутренними конструкциями;

¾ подходят для измерений уровня сыпучих веществ (гранулы, по-

рошки);

¾ возможность одновременного измерения уровня и уровня грани-

цы раздела двух жидкостей;

¾ возможность измерений в высокотемпературных процессах, про-

цессах с высоким давлением и высокоагрессивных

средах;

¾ надежность измерений в условиях высокой турбулентности или

вибраций, запыленности и парообразования.

Также компания Emerson представляет волноводный радарный

уровнемер Rosemount 5300 в криогенном исполнении. Данное исполне-

ние подходит для хранилищ жидких газов при низких температурах до -

196 °С таких как: природный газ, этан, пропан, бутан, этилен, различ-

ные инертные газы (аргон, неон,

ксенон), диоксид углерода и пере-

движных резервуаров. Прибор имеет несколько степеней защиты от

воздействия температуры и давления. Двухпроводное соединение уп-

рощает установку и снижает затраты на монтаж.

7.1.2 Применение уровнемера от условий технологического процесса

Диапазон измерений волноводного уровнемера Rosemount 5300 за-

висит от типа зонда и конкретных условий технологического процесса,

а именно на формирование эхо-сигнала могут повлиять:

• Наличия в резервуаре внутренних конструкций вблизи зонда.

• Среды с более высоким значением диэлектрической постоянной

(ε

) отражают лучше, следовательно, для них диапазон измерений боль-

ше.

• Наличие пены и частиц в атмосфере резервуара может ухудшить

качество измерений.

• Для оптимальной работы однопроводного зонда в неметалличе-

ских резервуарах (например, бетонных или пластиковых) зонд следует

монтировать с металлическим фланцем.

• Спокойная поверхность обеспечивает лучшее отражение, чем

турбулентная, поэтому для турбулентной поверхности диапазон изме-

рений будет меньше.

• Наличия в резервуаре электромагнитных помех.

• Следует избегать эксплуатации уровнемера в применениях со

средами, вызывающими сильные налипания/загрязнения зонда, по-

скольку это может снизить диапазон измерений и привести к ошибкам

измерения уровня. Для

вязких и налипающих сред особое значение

имеет правильный выбор зонда. Может потребоваться его периодиче-

ская очистка.

В зависимости от условий технологического процесса используется

один из пяти типов зондов: коаксиальный, жесткий двухстержневой,

жесткий одностержневой, гибкий двухпроводный и гибкий однопро-

водный (рис. 49). Выбор зонда обусловливается свойствами среды

(плотность, вязкость, агрессивность), уровень

которой необходимо из-

мерить.

Рис. 49. Вид зондов волноводного уровнемера

Коаксиальный зонд.

Обеспечивает самое высокое отношение сигнал/шум. Максималь-

ный диапазон измерений при использовании коаксиального зонда со-

ставляет 6 м.

Двухстержневой жесткий или двухпроводной гибкий зонды

Двухстержневой зонд с жесткими стержнями подходит для измере-

ний в диапазоне до 3 м. Для гибкого двухпроводного зонда диапазон

измерений составляет до 23,5 м.

Одностержневой жесткий или однопроводный гибкий зонды

Менее восприимчивы к налипанию среды и образованию наростов.

Одностержневой зонд (с жестким стержнем) рекомендуется для измере-

ний в диапазоне до 3 м, а однопроводный гибкий – до 23,5 м. Кроме то-

го, для измерений агрессивных сред (кислоты, щелочи, солевые раство-

ры) можно заказать уровнемер серии 3300 с зондами из специальных

материалов: Hastelloy, Monel и с покрытием

из материала PTFE.

1. Налипание среды на поверхность зонда.

Налипание среды на поверхность зонда может привести к сниже-

нию чувствительности уровнемера и к ошибкам измерения. При приме-

нении уровнемера для измерения уровня вязких или липких сред важно

правильно выбрать тип зонда. При неправильном выборе зонда может

потребоваться его периодическая очистка для предотвращения

недосто-

верности показаний.

Для вязких и налипающих жидкостей рекомендуется использовать

зонды из PTFE. PTFE – антипригарное, антиадгезивнное, агресивно-

стойкое покрытие (политетрафторэтилен (тефлон)).

Максимальная погрешность измерений в связи с загрязнени-

ем/налипанием может составлять 1/10 % в зависимости от типа зонда,

диэлектрической постоянной, толщины и высоты налипания на поверх-

ности зонда.

2. Перемычки.

При использовании двухстержневого,

двухпроводного или коакси-

ального зонда следует учитывать, что в случае измерений липкой среды

или при наличии липкого поверхностного слоя возможно образование

перемычки между оболочкой и внутренним стержнем для коаксиально-

го зонда или между стержнями/проводами зонда. Это приведет к непра-

вильному измерению уровня. Для таких технологических сред рекомен-

дуется использовать однопроводные

или одностержневые зонды.

3. Пена.

Точность измерения уровня пены зависит от свойств пены: легкая и

воздушная или плотная и тяжелая, с высокой или низкой диэлектриче-

ской проницаемостью и т. д. Если пена проводящая и сметанообразная,

уровнемер может измерить уровень поверхности пены. Если проводи-

мость пены низкая, радиоизлучение будет проникать сквозь

пену, и

уровнемер будет регистрировать уровень поверхности жидкости.

4. Пар.

В некоторых случаях (например, при измерении уровня аммиака)

над поверхностью продукта имеется густой пар, который может повлиять

на измерение уровня жидкости. Радарный уровнемер серии 5300 может

быть сконфигурирован так, чтобы скомпенсировать влияние пара.

7.1.3 Примеры применений

Rosemount серии 5300 предлагает преимущества надежных и дос-

товерных измерений в широком спектре применений. Уровнемеры се-

рии 5300 подходят для применений во многих перерабатывающих от-

раслях, нефтяной и газовой, нефтехимической, химической, энергетиче-

ской отраслях, при очистке воды и переработке отходов. Волноводная

технология, реализованная в серии 5300 совместно с инновационными

инженерными разработками, делает его устойчивым

к воздействию из-

меняющихся технологических условий. Серия уровнемеров 5300 прак-

тически не имеет ограничений по установке.

Сыпучие материалы (Рис. 50, а). Модель 5303 с гибким однопро-

водным зондом разработана для измерений сыпучих материалов с ма-

лыми значениями диэлектрической постоянной (до 1.4). Имеются зонды

для высоких растягивающих (весовых) нагрузок. 5300 подходит для из-

мерений порошковых

материалов, таких как цемент, зольная пыль, гра-

нул, пластиковых материалов, таких как поливинилхлорид, зерна, круп

и т. д. Диапазон измерений составляет до 50 м.

Измерение в баках с турбулентностью, паром и внутренними

конструкциями (рис. 50, б). Rosemount серии 5300 непрерывно предос-

тавляет сведения об уровне, в таких условиях, где другие устройства

могли бы

выйти из строя. Благодаря запатентованной технологии пря-

мого переключения, полученный сигнал в два/пять раз сильнее по срав-

нению с другими волноводными уровнемерами. Результатом является

наивысшая способность к работе при наличии создающих помехи объ-

ектов, налипаний на зонде, пены, пара и турбулентности.

Минимизация риска в наиболее жестких условиях эксплуата-

ции

(рис. 50, в).

Rosemount серии 5300 с надежной конструкцией зондов для экс-

тремальных условий (высокое давление и температура) обеспечивает

измерения с высокой достоверностью в резервуарах или байпасных ка-

мерах. Примерами могут быть ректификационные колонны, нефтепере-

рабатывающие установки и т. д. На проведение измерений не оказыва-

ют влияние колебания плотности среды с низкой

отражательной спо-

собностью или конструкция байпасных камер.

Рис. 50. Измерение уровня при различных условиях

Лучшие характеристики при измерении сжиженных газов

(рис. 51, а). Rosemount серии 5300 превосходно подходит для примене-

ний с сжиженными газами, так как блок электроники уровнемера можно

обслуживать и снимать, не нарушая герметичности резервуара. Широ-

кие диапазоны измерений допускают работу в больших резервуарах с

сжиженными нефтяными газами, газоконденсатном и аммиаком.

а б

Рис. 51. Измерение уровня при различных условиях

Уровнемеры серии 5300 также применимы для процессов с турбу-

лентностью и перемешиванием сред.